摘 要： 基于ZigBee技術的無線傳感器網絡定位系統的設計與實現。該系統由參考title="節點">節點、移動節點、網關節點和嵌入式Web服務器組成，本文詳細介紹了其硬件設計和軟件設計。經試驗驗證，該系統定位效果好，實用性強。
關鍵詞： 無線傳感網；節點；嵌入式Web服務器
無線傳感器網絡[1]WSNs(Wireless Sensor Networks)被廣泛應用于環境探測、天氣預報、安全、監控以及分布式計算和目標區域成像等領域，在軍事、醫療和民用等方面的應用具有深遠意義。在傳感器網絡中，位置信息對傳感器網絡的監測活動至關重要，事件發生的位置或獲取信息的節點位置是傳感器監測信息中所包含的重要信息，沒有位置的監測消息往往是毫無意義的。因此，確定事件發生的位置或獲取消息的節點位置是傳感器網絡最基本的功能之一，對傳感器網絡應用的有效性起著關鍵作用。
ZigBee技術[2]是一個具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其PHY層和MAC層協議為IEEE802.15.4協議標準。本文提出的無線傳感器網絡工作在全球通用的ISM(Industrial Scientific and Medical)免付費頻段2.4 GHz上，其數據傳輸速率為250 Kb/s，劃分為16個信道。與藍牙或802.11等同屬于短距離無線通信的技術相比，ZigBee技術具有先天優勢。ZigBee設備為低功耗設備，具有能量檢測和鏈路質量指示的功能。同時，由于采用了碰撞避免機制(CSMA-CA)，避免了發送數據時的沖突。在網絡安全方面，采用了密鑰長度為128 bit的加密算法，對所傳輸的數據信息進行加密處理，保證了數據傳輸時的高可靠性和安全性。用ZigBee技術組成的無線傳感器網絡結構簡單、體積小、性價比高、放置靈活、擴展簡便、成本低、功耗低、安全可靠，這種新興的無線傳感器網絡必將有廣泛的應用前景。
1 無線傳感網定位系統設計
1.1 設計思想
本系統的主要設計思想是：先在監測區域布置一定的參考節點，參考節點的作用是在定位過程中起參考點的作用，不參與定位；移動節點就是定位節點，通過參考節點來確定自己的位置；網關節點一方面配置參考節點的位置信息，同時接收移動節點的位置信息發送給Web服務器，Web服務器接入網絡可以實現遠程訪問和控制。系統框圖如圖1。
1.2 硬件設計
1.2.1 節點硬件設計
無線傳感器節點一般由傳感器模塊、數據處理模塊、電源模塊和數據傳輸模塊組成。由于在本設計中主要考慮定位，所以傳感器模塊只是為了以后擴展用的。圖2是一般節點(作為參考節點或者移動節點)的原理框圖。
由于網關節點要和PC機或者Web服務器連接，所以要帶串口。網關節點原理如圖3。
本系統節點有參考節點、移動節點和網關節點3種。下面介紹節點系統的組成。
(1)處理器芯片
CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(SoC)解決方案，能滿足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4無線傳感器網絡的應用需要。CC2431定位引擎基于接收信號強度指示RSSI（Received Signal Strength Indicator）技術，根據接收信號強度與已知參考節點位置準確計算出有關節點位置，然后將位置信息發送給接收端。相比于集中型定位系統，RSSI功能降低了網絡流量與通信延遲。
(2)傳感器芯片
SHT11是瑞士 Scnsirion公司推出的一款數字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應用于暖通空調、汽車、消費電子、自動控制等領域，具有集成度高、接口簡單、測量精度高并可編程調節、封裝尺寸超小、可靠性高的特點。
(3)天線
天線設計是系統設計的關鍵，系統中其余模塊只是芯片的級聯，只有這一部分需要自己設計。由于射頻信號的頻率達到2.4 GHz，微波波長與傳輸線的長度已經達到同等數量級。傳輸線末端的微波反射和駐波等問題不可忽視，否則會產生惡劣的影響。解決這些問題的關鍵在于傳輸線特征阻抗與天線阻抗的良好匹配與控制。
系統設計中使用了2種天線。一種是外接的2.4 G天線，通過SMA頭連接，市場上有成熟的外接天線；另一種是采用倒F型的微帶天線，其制作成本很低，微波饋線采用微帶傳輸線與敷銅底板的介質板上的帶狀線相同，具有較好的微波傳輸特性和較低的傳輸損耗。
1.2.2 Web服務器硬件設計
目前，無線傳感器網絡數據的傳輸主要是采用多跳實現的遠距離傳輸，但是由于多跳的不穩定性給數據傳輸帶來很大不便，同時使用串口的數據也不能實現遠距離數據傳輸。為了實現遠距離數據的傳輸和監控，本系統采用嵌入式Web服務器接入網絡的方法實現遠距離傳輸。圖4是Web服務器原理框圖。
(1)處理器芯片
S3C44B0[3]是SAMSUNG公司推出的16/32 bit RISC處理器，為手持設備和一般應用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。S3C44BOX使用ARM7TDMI內核，采用0.25 μm CMOS工藝制造。它的低功耗和全靜態設計特別適用于對成本和功耗敏感的應用。
(2)以太網接口
網絡接口芯片使用RTL8019AS，它符合NE2000，提供了自動檢測10BaseT集成收發器RJ45，有2種工作模式：8 bit的DMA(只能用芯片地址0x4000-0x5fff)和16 bit的DMA(可用到0x6000－7fff)。這里的地址只是指芯片內的地址，而非總線地址。
RTL8019AS網絡芯片要模擬的網絡芯片內部RAM共2塊：(1)0x0000－0x000B，12 B，頁號為0x00，存放MAC地址(奇數和偶數存放的MAC地址是一樣的，目的在于方便16 bit DMA讀取)。(2)0x4000－0x5FFF，8192 B，頁號為0x40－0x60（只用到0x5f，0x60為結束邊界），用于存放收發的數據包緩沖，具體收發多少由驅動程序初始化決定。至于發送緩沖區和接收緩沖區的大小可以根據具體需要決定。
以太網接口使用的是帶有變壓器的RJ45接口。
(3)USB接口
ISP1161為ISP1161A1的第一代芯片，也是業界第一款在單芯片內集成USB主機端與USB設備端功能的產品，可提供點對點連接。它可以透過軟件控制扮演獨立型主機或設備，甚至同時兼具主機與設備的功能。它擁有一個16 bit并行輸出入(PIO)與DMA接口，可以連接到市場上多數的RISC指令集處理器、數字信號處理器(DSP)與微控器。它完全符合USB2.0規格，非常適合嵌入式或會聚式系統。
1.3 軟件設計
1.3.1 網關節點軟件設計
網關節點在整個系統中有著重要的作用，首先要接收對參考節點的配置數據，其次還要接收各節點反饋的有效數據。其工作流程如圖5。
1.3.2 參考節點軟件設計
參考節點是一種靜態節點，其坐標位置是固定的，并且不參與定位計算。其工作流程如圖6。
1.3.3 移動節點軟件設計
移動節點可在移動區域里任意移動。電腦各位節點通過接收定位區域內所有參考節點的RSSI值[4]后，經過定位算法來計算其坐標位置。定位節點軟件流程圖如圖7。
1.3.4 Web服務器軟件設計
嵌入式Web服務器采用μClinux操作統，它是專門為無存儲器管理單元(MMU)微控制器設計的嵌入式Linux操作系統。μClinux是基于Linux內核開發的，它是在GNU公共許可證(GPI)下發布的自由軟件。μClinux經過對標準Linux內核的改動，形成了一個高度優化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，但μClinux仍然保留了Linux的大多數優點：穩定、良好的移植性、優秀的網絡功能、對各種文件系統完備的支持以及豐富的API。
軟件設計步驟為：(1)移植u-boot；(2)建立交叉編譯環境；(3)μClinux操作系統的移植；(4)boa服務器的移植；(5)應用程序的編寫。
1.3.5 服務器界面的設計
服務器界面采用動態和靜態的網頁實現。為了使得本系統的瀏覽器窗口呈現更為靈活的功能，采用了HTML多框架結構，這樣在瀏覽器上便可以一次顯示多篇文檔，相互配合，相互轉換，如圖8所示。其中“系統主頁”、“關于我們”、“在線幫助”頁面和“聯系我們”網頁為靜態頁面，沒有與CGI程序的數據交互。“認證頁面”、“系統狀態查詢”、“定位查詢”、“節點配置”頁面為動態頁面，分別與3個不同的CGI程序鏈接，用于接收或返回實時數據或信息。
所有HTML文件及需鏈接的圖像文件也均放人/μClinux-dist/vendors/tmpt目錄下暫存。
2 系統測試
本系統主要由2部分組成：(1)由參考節點、移動節點和網關節點組成的定位系統。(2)網關節點和嵌入式Web服務器之間的通信通過串口實現，嵌入式Web服務器可以通過以太網接入網絡，也可以通過USB實現傳輸。具體步驟如下：
(1)將參考節點布置在一定的區域，本次選擇8個參考節點；
(2)配置參考節點，即給參考節點初始化一個位置信息；
(3)將移動節點放置在參考節點區域內，本次選擇4個移動節點作為測試用；
(4)網關節點和嵌入式服務器通信，將定位信息通過網頁界面顯示出來。
通過多次改變移動節點的位置來測量移動節點的位置，然后與實際位置進行比較，表1和表2是以移動節點1為例在不同區域內進行測量的結果。
從上表可以看出本定位系統定位在區域不大的情況下，定位準確性很高。
經試驗，本定位系統在空曠的地方定位效果良好，但是也受環境影響，如受房間墻壁、玻璃及金屬對天線的影響。如果碰到這些情況應盡量使用外接天線，這樣的效果會好。
參考文獻
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[2] 劉瑞強，馮長安.基于ZigBee的無線傳感器網絡[J].遙控遙測，2006(9).
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